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BLDC电机行业市场发展分析
发布时间:2020-04-24

在现代生活中,电机和我们生产、生活息息相关。随着高能效电机在汽车、农业、空调和洗衣机等领域的广泛使用,全球的电机市场得到了很大的增长。据统计,2017年全球电机市场的规模为970亿美元,2018年为975亿美元,预计未来几年,电机市场还会以4.5%的年复合增长率持续增长。目前生产和生活用电60%消耗在电机及相关系统。

 

1:电机行业市场概况。

相对于有200多年历史的电机来说,直流无刷电机(BLDC)相对来说还比较年轻,它从发展至今也就50多年的历史。BLDC相比有刷电机有诸多优点,并且随着半导体技术的发展,MCU和驱动组件的普及,使得BLDC电机的总体成本降低了很多,再加上锂电池的大规模应用,使得BLDC电机在这几年得到了快速的发展,其总体成长率也高于电机的成长率。

预计未来几年BLDC电机的年复合增长率将会是6.5%左右,如果以2018年BLDC的市场规模153.6亿美元为基数的话,预计到2022年,BLDC电机的市场规模将会达到200亿美元。

 

2:全球BLDC电机行业市场概况。

BLDC电机增长原因分析

为何BLDC会快速增长呢?首先,BLDC电动机是随着半导体电子技术发展而出现的新型机电一体化电机,它是现代电子技术,包括电力电子、微电子技术、控制理论和电机技术相结合的产物。它本身具有优越的调速性能,表现在控制性能好、调速范围宽、起动转矩大、低速性能好、运行平稳、效率高,应用场合从工业到民用及其广泛。

其次,各个国家和地区越来越看重设备的能效。比如目前市场上主流IE3能效的高效电机,相比普通电机能效可以提升4%。而且,美国和加拿大已经分别于2011年和2012年强制要求工业电机满足IE3能效等级标准。国内和欧盟地区相对滞后,在2016年和2017年初也开始推广IE3能效等级标准。由于IE3高效电机平均价格比普通电机高15%左右,故在实施之初,替代相对缓慢,但随着国家环保监督措施愈发严格,加上高效电机能耗降低能带来确实好处,高效电机的占比在逐步提升。据估计,国内有望在2020年将IE3能效标准作为强制标准措施。甚至,有可能向IE4能效等级迈进。向高效电机切换的好处是可以提高单台电机的价值量,另一方面也将淘汰一部分技术储备不足的中小电机厂商。

还有国家高度重视电机行业的发展,高效电机是工信部、科技部、国家发改委和国务院等国家机关重点扶持的产业。历年的重要发展规划皆把高性能电机及其驱动系统作为国家发展重点领域。比如2011年的《加快推进国内高效电机规模化应用政策》,2012年的《“十二五”节能环保产业规划》;2015年的《中国制造2025》等等都将电机行业放到重点发展的领域当中。

当然,BLDC电机成本的下降是推动其快速增长最直接的因素。

此外,还有一个明显的趋势,就是国内电机企业在技术投入方面越来越大。根据国家发改委统计的数据,从2000年到2018年,国内电机制造行业技术投入比率在逐渐增长,从开始的不到1%,增长到了现在的2.9%

 

3:国内电机制造行业技术投入比率。

BLDC电机的热门应用领域

BLDC电机的应用场景非常丰富,但在最近几年,BLDC电机出货量比较大,比较热门的应用领域主要有风机、泵、电动车、电动工具、压缩机、农机具和汽车应用等领域。

其中,在风机行业,再细分的话,有风扇、油烟机、吹风机、风帘机、暖通空调风机等,制造商主要有美的、艾美特、格力、先锋、华帝等等。

在泵方面,可细分为气泵、水泵和油泵等;制造商主要有新界牌、格兰富、连成等。

在电动车方面,有两轮、三轮、四轮、平衡车、高尔夫球车和叉车等;主要的制造商有爱玛、雅迪、金彭和新日等。

电动工具领域,可细分为电转、电锤和电批等;主要制造商有博世和东成。

压缩机领域,可细分为空调、车载冰箱和医用制冷等;主要制造商有大金、三菱、格力和美的。

农机具领域,可细分为割草机、摘果器、电动剪枝机等;主要制造商有博世、百得和TTI等。

汽车应用领域,可以细分为雨刮器、汽车尾气排放系统、动力方向控制、通风和风扇等;主要的供应商有麦格纳(Magna)、天合(TRW)和法雷奥(Valeo)等。

 

4:BLDC电机应用行业和下游制造商情况。

这些行业的出货量情况如何呢?据统计,2018年,电动车为5000万台、油烟机为7000万台、电动工具为4000万台、风机立扇为6000万台、空调压缩机为9000多万台。

 

5:空调用电机与空调用BLDC电机的年总产量。

以空调用的电机为例,根据国家统计局公布数据,中国在2018年空调用电机的产量是3.6亿台,而空调用的BLDC电机的产量约为0.96亿台,虽然占比不大,但每年都在增长之中。而且今年有可能会突破1亿台,因为前三季度已经达到了8000多万台。

BLDC电机驱动器行业市场分析

目前的BLDC电机主要是用控制器来驱动的,图6是目前使用最多的BLDC电机驱动器解决方案框架图。BLDC产品目前有两种,一种是直接使用市电的产品,另一种是手持式,即电池供电的产品。

 

6:BLDC电机驱动框架图。

驱动BLDC电机的驱动电路主要有三大部分:控制器、栅极驱动,也就是我们常说的预驱,以及功率MOSFET/IGBT,就是通常说的驱动。还有一个反馈给控制器的反馈信号,这个有用霍尔传感器的,也有用旋转变压器、磁编码器或者光编码器的,当然也有不用传感器的方案。

最传统,最成熟的驱动方案就是这三部分都是分开的,也有将栅极驱动和功率MOSFET集成为IPM的。

现在比较主流的方案是将栅极驱动集成进控制器中,后面再接上功率MOSFET或者IGBT来驱动BLDC。

还有一种干脆就将这三部分都集成了,做成一个SoC,直接驱动BLDC。

 

7:BLDC电机驱动方案的四种驱动类别优缺点对比。

那这四种驱动方案都有哪些优缺点呢?

MCU+预驱+驱动的方式,这种方式的优点是灵活,IC选择性高,可适应于各类大、中、小功率的控制器。对一般的MCU公司也最具有优势,主要应用在高压系统,或者是大功率系统上,因为大功率和高压应用,有散热和隔离的问题。缺点就是集成度低,PCBA的面积比较大。

MCU+[预驱+驱动]也可以描述成MCU+IPM,开发功率组件的国际厂商多半都有IPM的产品,让客户能简化电路板设计的复杂度,提升稳定性,也是早期特别成熟的驱动方式。它的优点是,集成度高、PCBA面积较小。缺点是功率不能做得很大。

[MCU+预驱]+驱动,是目前较为主流的开发方向。它的优点是集成度比较高、MOSFET可以灵活选择、适用于各类中小功率的控制器。缺点是由于预驱集成在MCU中,预驱的驱动能力和耐压做不高,无法适应大功率控制器。

SoC方式的优点是对性能比较高的应用,常常用于塑封电机的设计;缺点是设计弹性比较差,如果需要更改驱动特性的话,就必须在SoC旁边增加一颗小MCU,这不仅会增加元器件成本,更加会增加电路板的复杂度,这违背了化繁为简的发展思想。

BLDC电机主控厂商目前有很多,根据分类的不同,有的企业这三种主控解决方案都有,有的只提供一两种解决方案。

比如TI基本上三种方案都有,ST也有单MCU和MCU+预驱的方式。国内的BLDC主控方案主要走的还是集成的方向,比如最近市场表现还不错峰岹就是主要提供MCU+预驱的方案。

 

8:BLDC主控方案提供商代表。

从硬件层面来看,BLDC电机控制的发展经历了从小规模模拟、数字电路于分离器件的控制器,发展到专用集成控制电路的控制器,再到MCU,DSP等解决方案的过程。

从软件算法层面来看,受控制理论和控制器件的限制,BLDC电机一直采用经典PID控制,该控制方法可以使系统性能满足各种静、动态指标要求,但系统的鲁棒性不尽人意。

面对日益复杂的控制对象,进一步提高BLDC电机调速系统的快速响应性、稳定性和鲁棒性,智能控制算法受到关注,这包括模糊控制、神经网络控制、专家系统等。

智能控制系统具有自学习、自适应、自组织等功能,能够解决模型不确定性问题,非线性控制问题,以及其他较为复杂的问题。而BLDC电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象,因此利用智能控制可以取得较为满意的控制结果。目前已经有一些较为成熟的智能控制方法应用在了BLDC电机控制。比如模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制、模糊控制和神经网络相结合的复合控制、隶属度参数经遗传算法优化的模糊控制、单神经元自适应控制等等。

看完主控,再谈谈功率器件。我国功率器件市场需求,约占全球的43%,2018年约为1000亿元。BLDC电机驱动器用到的功率器件主要以MOSFET、IPM和IGBT为主。比如一般情况下,一个BLDC电机驱动器就需要使用6个MOSFET来进行驱动。因此,就用量来说还算不少。

在中高端MOSFET及IGBT主流器件市场上,国内主要依赖进口,并基本上被欧美日企业所垄断。目前国内的功率半导体龙头企业市场占有率仍然较低,这需要国内功率器件厂商的跟进。相信随着BLDC电机市场的兴起,对国内功率器件厂商来说是一个崛起的机会。

另外,IGBT市场,一些高功率的BLDC电机应用领域,比如新能源汽车中就需要用到IGBT器件,也正是得益于新能源汽车和工业领域的需求,我国IGBT市场规模持续增长,2018年约为162亿元。

MOSFET方面,2018年我国MOSFET市场规模约为210亿元。当然,目前这里贡献最大的是消费电子领域,相信以后BLDC电机驱动器的贡献会越来越大。

BLDC电机发展趋势

现在整个电机都在往高效率、高功率密度、和低成本方向发展,其中美国能源部旗下的DRIVE组织,该组织既有政府背景也有企业支持,成员包括福特、通用UQM等生产企业,以及Electric Power Research Institute,橡树岭国家实验室(OAK RIDGE National Laboratory)等研究机构。他们在2017年的时候发布了一个电动汽车发展2025年路线图规划。

在该规划中,他们给电机和电控的发展定了一个目标,那就是2025年时,电机控制器的效率不能低于98%;功率密度要达到100kW/L;成本要降到2.7美元/kW。电机的效率不能低于97%;功率密度要达到50kW/L或5.7kW/kg;成本要低于3.3美元/kW。

《中国制造2025重点领域技术路线图》中也提到了国内驱动电机的发展目标:2020年、2025年和2030年乘用车20秒有效比功率要分别达到3.5、4和5kW/kg以上,商用车30秒有效比扭矩要分别达到18、19和20N·m/kg以上。

 

9:电机发展未来规划和需要用到的技术。

也就是说功率密度将会成为未来电机控制器和电机设计中一个非常重要的指标。为什么功率密度会受到如此重视?因为高功率密度的电机可以让电机本体的体积更小,重量更轻,效率更高。高功率密度的电机一般在汽车、航空、航天、航海和工业应用中应用更多。

高功率密度就是在一定体积下输出更大的功率,为了实现这一目标,一般采用两种方法来实现,一是提高电机的速度,把电机设计成高速电机(转速一般会超过10000rpm);二是设计新型机构电机。

要实现这个目标,就需要新技术的支持,比如说宽禁带半导体技术,SiC、GaN器件等,还需要有集成的拓扑结构和被动元件控制算法和创新的电路设计;以及创新的系统级封装和先进制造工艺的支持

总的来说,低压无刷电机高效化、小型化,集成化,驱动一体化将是未来的市场趋势。

在应用领域方面,新能源汽车BLDC电机应用的一个很重要的方向。目前国内新能源汽车的主驱动电机基本都是采用BLDC电机。

当然,在中国,BLDC电机的最大应用领域主要是在家用电器,如洗衣机,空调压缩机,冰箱压缩机和风机(风扇,室外室内风机,抽烟烟机,空气净化器),洗碗机等领域。同时电动工具,电动自行车,水泵,无人机也已经广泛应用了无刷直流电机。

近年来,随着服务器容量和性能的提升,需要采用尺寸更大、速度更高的风扇,才能确保为设备排散多余热量。同样,鼓风机、真空吸尘器和泵等设备也需要与大功率容量的高速叶轮配合使用。因此,风扇驱动IC需要驱动外部FET来提供更高功率。

东芝最近推出新型三相无刷电机控制预驱IC“TC78B009FTG”。这款三相无刷电机控制预驱IC无需霍尔传感器,可驱动外部FET。它可以控制FET的栅极驱动电流,并可与各种不同的FET配合使用。此外,闭环速度控制功能可在动态功率波动和负载变化的情况下调节并保持电机转速。速度的精确设置通过内置非易失型存储器(NVM)完成,因此TC78B009FTG无需借助外部MCU即可实现闭环速度控制。

应用领域:服务器冷却风扇、鼓风机、无绳真空吸尘器、机器人真空吸尘器等。

 

 


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